[发明专利]一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法，目前采用的无磁场翻转方法，包括添加额外的面内磁性层，通过高温控制CoPt的晶向，以及通过设计楔形膜层结构等方法，都不能实现CoPt磁矩的完全翻转，翻转比率一般低于70％。本发明的磁性随机存储器选择斜切衬底且具有多层膜结构，多层膜结构从上到下依次为：导电层、保护层、薄膜层；所述薄膜层采用Hall Bar器件。相比于传统的随机存储器件，本发明能够实现在无外加辅助磁场条件下基于自旋轨道转矩电流驱动的磁矩完全翻转；且体积小能耗低，存储密度高，并具有非易失性。

技术领域

本发明属于磁性随机存储器领域，具体涉及一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法。

技术背景

上世纪80年代，John Slonczewski和Luc Berger提出了自旋轨道转矩的概念：利用自旋霍尔效应，使得在具有强自旋轨道耦合的重金属层中流动的具有自旋极化的电子流转化为自旋流，自旋流向铁磁层中扩散，对铁磁层的磁矩施加力矩使之翻转。采用自旋轨道力矩效应驱动垂直磁矩的翻转，对高密度磁记录等新型器件具有重要研究价值。然而，要使这种技术走向产业化应用，必须克服需要施加外部偏置磁场这一关键问题，因为片上磁场的存在，不但使得器件更加复杂化，同时限制了器件的微型化。

CoPt多层膜结构是磁性存储器制备的关键材料，目前研究发现CoPt仅依靠自身产生的自旋轨道力矩效应就可以实现翻转，而不需要像传统材料那样需要添加非磁的重金属层，从而可以实现器件膜层的简化，并避免了由分流效应带来的功耗增加问题，受到了广泛的关注。然而，目前采用的无磁场翻转方法，包括添加额外的面内磁性层，通过高温控制CoPt的晶向，以及通过设计楔形膜层结构等方法，都不能实现CoPt磁矩的完全翻转，翻转比率一般低于70％。磁矩的翻转比率低会直接导致存储单元的写入错误率。因此，亟需找到一种更好的翻转表现(更高的翻转比率)，高持久性，且适合于产业化应用的无磁场自旋轨道力矩驱动的CoPt多层膜磁矩翻转技术。

发明内容

本发明属于磁性随机存储器领域，具体涉及一种基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器及制备方法。

一种基于自旋轨道转矩的通过电流驱动的磁性随机存储器，磁性随机存储器选择斜切衬底且具有多层膜结构，多层膜结构从上到下依次为：导电层、保护层、薄膜层；所述薄膜层采用Hall Bar器件。

所述导电层接入调控电流和测量电压，从而通过不断施加脉冲电流来得到其变化的电阻大小；保护层隔绝薄膜磁性层与空气接触导致的氧化；薄膜层经过光刻、刻蚀等工艺微纳加工成的Hall Bar器件为十字结构的，薄膜层结构从上到下依次为Co、Pt、Co、Pt、Co、Pt，上层中Co的厚度为0.8-1nm，Pt的厚度为0.3-0.6nm，中间层Co的厚度为0.3-0.5nm，Pt的厚度同样为0.5-0.6nm，最下层的Co的厚度为0.3-0.5nm，Pt厚度为0.7-1nm；沿垂直于衬底斜切方向的Hall Bar两端电极中通入一个直流脉冲电流I_pluse，器件垂直于电流方向上的两端电极通入测量电压V_ac；施加直流脉冲电流后，电流会转换成自旋流注入薄膜层中的磁性层中诱导磁矩发生翻转，随着薄膜层的磁矩的翻转，自旋轨道转矩电阻值也在逐渐变化。通入反方向的脉冲电流之后磁畴逐渐回到初始状态，形成自旋轨道转矩回路，得到自旋轨道转矩电阻。比较薄膜反常霍尔电阻值和自旋轨道电阻值的比值从而可以判断出无磁场情况下的磁矩翻转程度。

作为优选，所述薄膜层中Co层膜和Pt层膜的厚度呈梯度变化；

作为优选，所述的斜切衬底选择氧化铝斜切衬底。

作为优选，所述的斜切角度为3°-10°。

作为优选，所述的斜切角度为5°。

作为优选，所述导电层应为导电材料，为Al、Pt或Ru，厚度为20nm。

作为优选，所述保护层应为保护材料，为Ta，厚度为1-3nm。